CN107272569A - 一种远程运动控制实验装置 - Google Patents

一种远程运动控制实验装置 Download PDF

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龚晓光
吕霞付
康健
隆雨佟
胡光宝
袁
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Abstract

本发明涉及一种远程运动控制实验装置，属于自动化领域。该装置包括实验平台基座、控制装置、运动装置与监控装置；平台基座包括铝型材箱式框架、操作平台、底部H型固定结构和万向轮；控制装置包括驱动模块、空气开关、PLC模块和直流电源；运动装置包括XYZ轴丝杆滑台、夹持机械爪、物体识别模块和限位传感器；监控装置包括HMI触摸屏、网络摄像头、路由器。通过现场触摸屏控制或者远程网络控制实现三轴的联动、机械爪开合以及基于颜色形状的物品分拣。本发明与自动化专业课程内容高度锲合，可直观方便的展示课程内容，具有精度高，运行准确稳定，操作简单安全的优点，且有良好的扩展性，使用范围广泛。

Description

一种远程运动控制实验装置
技术领域
本发明属于自动化领域，涉及一种远程运动控制实验装置。
背景技术
为了加深学生对《可编程控制器》、《运动控制》、《电机与拖动》等课程知识的了解，一般高校自动化专业均配备有运动控制实验平台。现阶段的教学类三轴运动控制平台形式各异，主要展示电机控制过程和多轴协调运行控制，一般都是现场控制，无法进行远程读写数据进行监控且普遍存在一些问题。一方面，目前的运动控制实验平台以打点器和雕刻机为主，基本采用G代码指令控制，集成度过高，学生参与程度较低；另一方面此类实验平台一般功能单一，可扩展性差，容易造成资源浪费。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种远程运动控制实验装置，与自动化专业课程内容高度锲合，直观展示课程内容，高精度操作。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种远程运动控制实验装置，包括实验平台基座、控制装置、运动装置与监控装置；
所述实验平台基座包括铝型材箱式框架(1)、操作平台(2)、底部H型固定结构(3)和万向轮(4)；所述铝型材箱式框架(1)中部设置有所述操作平台(2)，底部设置有底部H型固定结构(3)，接触地面处设置有所述万向轮(4)；
所述控制装置安装在铝型材箱式框架(1)左侧，包括驱动模块(5)、空气开关(6)、PLC模块(7)和直流电源(8)；所述驱动模块(5)包括X轴步进电机驱动器(5.2)、Y轴步进电机驱动器(5.3)、Z轴步进电机驱动器(5.4)和舵机驱动模块(5.1)；所述PLC模块(7)负责处理采集信号，并给出控制信号和信号间通信；
所述运动装置安装在铝型材箱式框架(1)上侧，包括XYZ轴丝杆滑台(9)、夹持机械爪(10)、物体识别模块(11)和限位传感器(12)；所述XYZ轴丝杆滑台(9)包括X轴丝杆滑台(9.1)、Y轴丝杆滑台(9.2)和Z轴丝杆滑台(9.3)，所述X轴丝杆滑台(9.1)、Y轴丝杆滑台(9.2)和Z轴丝杆滑台(9.3)以倒置三维坐标系的方式安装在铝型材箱式框架(1)上侧，所述限位传感器(12)分别安装在所述X轴丝杆滑台(9.1)、Y轴丝杆滑台(9.2)、Z轴丝杆滑台(9.3)一侧有效行程极限位置，所述夹持机械爪(10)安装在Z轴丝杆滑台滑块(9.3a)上，用于夹取物体，所述物体识别模块(11)安装在夹持机械爪(10)底部，与夹持机械爪(10)同步运动，用于识别操作平台(2)上物体的颜色与形状；
所述监控装置包括安装在铝型材箱式框架(1)上侧的HMI触摸屏(13)、安装在操作平台(2)上的网络摄像头(14)和安装在底部H型固定结构(3)上的路由器(15)，通过网络实现对所述实验装置的远程影像监控；在所述HMI触摸屏(13)上按对应虚拟按键给系统上电，启动程序，或按对应虚拟按键给系统断电，停止运行程序；在一定工作模式下，在所述HMI触摸屏(13)上按对应虚拟按键使XYZ三轴自动回零，即三轴回到零点为下一次操作提前准备；
通过现场触摸屏控制或者远程网络控制实现三轴的联动、机械爪开合以及基于颜色形状的物品分拣。
进一步，所述直流电源(8)包括24V直流电源(8.1)和5V直流电源(8.2)；
所述24V直流电源(8.1)负责给X轴步进电机驱动器(5.2)、Y轴步进电机驱动器(5.3)、Z轴步进电机驱动器(5.4)、限位传感器(12)、HMI触摸屏(13)供电；
所述5V直流电源(8.2)负责给舵机驱动模块(5.1)及夹持机械爪(10)的舵机供电。
进一步，所述运动装置通过X轴丝杆滑台滑块(9.1a)带动Y轴丝杆滑台(9.2)、Z轴丝杆滑台(9.3)、夹持机械爪(10)、物体识别模块(11)沿X轴丝杆滑台(9.1)方向左右移动；通过Y轴丝杆滑台滑块(9.2a)带动Z轴丝杆滑台(9.3)、夹持机械爪(10)、物体识别模块(11)沿Y轴丝杆滑台(9.2)方向前后移动；通过Z轴丝杆滑台滑块(9.3a)带动夹持机械爪(10)、物体识别模块(11)沿Z轴丝杆滑台(9.3)方向上下移动。
进一步，所述PLC模块(7)包括分线器(7.1)、CPU(7.2)和通信模块(7.3)；在所述铝型材箱式框架(1)上侧安装的HMI触摸屏(13)与CPU(7.2)通过分线器(7.1)连接，HMI触摸屏(13)上的虚拟按钮控制X轴丝杆滑台(9.1)、Y轴丝杆滑台(9.2)、Z轴丝杆滑台(9.3)、夹持机械爪(10)和物体识别模块(11)的相应运动。
进一步，所述CPU(7.2)以及网络摄像头(14)与路由器(15)连接，利用CPU(7.2)的Web发送功能，通过现场的路由器(15)发射，以有线或无线方式连接路由器(15)登陆相应网页控制所述X轴丝杆滑台(9.1)、Y轴丝杆滑台(9.2)、Z轴丝杆滑台(9.3)、夹持机械爪(10)和物体识别模块(11)的相应运动，同时通过网络摄像头(14)远程监控运行状况。
进一步，所述X轴丝杆滑台(9.1)外侧安装X轴限位光电开关I(12.1)、X轴限位光电开关II(12.2)，所述Y轴丝杆滑台(9.2)上侧安装Y轴限位光电开关I(12.3)、Y轴限位光电开关II(12.4)，所述Z轴丝杆滑台(9.3)内侧安装Z轴限位光电开关I(12.5)、Z轴限位光电开关II(12.6)，以无接触地限制丝杆滑台的运动范围。
进一步，所述万向轮(4)设有锁死装置，用于移动和固定实验平台。
进一步，所述工作模式包括手动模式和自动模式；
所述手动模式为：按下控制X轴丝杆滑台(9.1)的按钮，控制X轴滑台滑块(9.1a)向左、右移动，点按一次移动0.5mm，长按则连续运动；按下控制Y轴丝杆滑台(9.2)的按钮，控制Y轴滑台滑块(9.2a)向前、后移动，点按一次移动0.5mm，长按则连续运动；按下控制Z轴丝杆滑台(9.3)的按钮，控制Z轴滑台滑块(9.3a)向上、下移动，点按一次移动0.5mm，长按则连续运动；所述夹持机械爪(10)包括机械爪舵机(10.1)和机械爪夹取部分(10.2)，按下控制机械爪舵机(10.1)的按钮，控制机械爪夹取部分(10.2)合拢张开；
所述自动模式为：扫描操作平台(2)，按一定路径自行控制X轴滑台滑块(9.1a)、Y轴滑台滑块(9.2a)、Z轴滑台滑块(9.3a)的移动以及按一定方式自行控制机械爪夹取部分(10.2)的合拢张开；所述自动模式还通过观察选择分区，并直接运行到相应区域进行扫描，若扫描到物体，则会自行夹取摆放。
本发明的有益效果在于：本发明与《可编程控制器》、《运动控制》、《电机与拖动》等自动化专业课程内容高度锲合，可直观方便的展示课程内容，具有精度高，运行准确稳定，操作简单安全的优点，且有良好的扩展性，使用范围广泛。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明控制装置结构示意图；
图3是本发明运动装置结构示意图；
图4是本发明机械爪结构示意图；
图5是物体识别扫描路径示意图。
具体实施方式
下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。
在本实施例中，术语“上”“下”“左”“右”“前”“后”“上端”“下端”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造或操作，因此不能理解为对本发明的限制。
如图1所示的可以远程控制的运动控制实验平台用于高校自动化专业《可编程控制器》、《运动控制》、《电机与拖动》等课程的实验教学。所述可远程控制的运动控制实验平台包括平台基座、安装在基座整体框架左侧的控制装置、安装于基座整体框架上侧的运动装置、安装于基座整体框架各部分的监控装置，平台基座包括铝型材箱式框架(1)、操作平台(2)、底部H型固定结构(3)、万向轮(4)；安装在铝型材箱式框架(1)左侧的控制装置包括驱动模块(5)、空气开关(6)、PLC模块(7)、直流电源(8)；安装在铝型材箱式框架(1)上侧的运动装置X轴丝杆滑台(9.1)、Y轴丝杆滑台(9.2)、Z轴丝杆滑台(9.3)、夹持机械爪(10)、物体识别模块(11)、限位传感器(12)；监控装置包括安装在铝型材箱式框架(1)上侧的HMI触摸屏(13)、安装在操作平台(2)上的网络摄像头(14)、安装在底部H型固定结构(3)上的路由器(15)。
参考图1、图2，所述控制装置包括驱动模块(5)、空气开关(6)、PLC模块(7)、直流电源(8)；所述驱动模块(5)包括控制X轴滑台步进电机转动方向与速度的X轴步进电机驱动器(5.1)、控制Y轴滑台步进电机转动方向与速度的Y轴步进电机驱动器(5.2)、控制Z轴滑台步进电机转动方向与速度的Z轴步进电机驱动器(5.3)、控制夹持机械爪的舵机转动角度的舵机驱动模块(5.4)；所述空气开关(6)负责整个实验平台的供电开关；所述PLC模块包括负责CPU与其它装置的连接的分线器(7.1)、负责处理采集信号及给出控制信号的CPU(7.2)、负责与所述物体识别模块连接通信的通信模块(7.3)；所述直流电源包括责给X轴步进电机驱动器、Y轴步进电机驱动器、Z轴步进电机驱动器、限位传感器、HMI触摸屏供电的24V直流电源(8.1)和负责给舵机驱动模块、夹持机械爪的舵机供电的5V直流电源(8.2)。
参考图1、图3、图4，所述运动装置包括X轴丝杆滑台(9.1)、Y轴丝杆滑台(9.2)、Z轴丝杆滑台(9.3)、X轴左限位传感器(12.1)、X轴右限位传感器(12.2)、Y轴前限位传感器(12.3)、Y轴后限位传感器(12.4)、Z轴上限位传感器(12.5)，Z轴下限位传感器(12.6)、夹持机械(10)、物体识别模块(11)；所述X轴丝杆滑台(9.1)、Y轴丝杆滑台(9.2)、Z轴丝杆滑台(9.3)以倒置三维坐标系的方式安装在铝型材箱式框架上侧；所述X轴左限位传感器(12.1)、X轴右限位传感器(12.2)依次安装在X轴丝杆滑台(9.1)左右侧有效行程极限位置；所述Y轴前限位传感器(12.3)、Y轴后限位传感器(12.4)依次安装在Y轴丝杆滑台(9.2)前后侧有效行程极限位置；所述Z轴上限位传感器(12.5)，Z轴下限位传感器(12.6)依次安装在Z轴丝杆滑台(9.3)上下侧有效行程极限位置，以无接触的方式限制运动范围；所述夹持机械爪(10)安装在Z轴丝杆滑台滑块(9.2a)上，随滑块(9.2a)在三维空间移动，用于夹取物体；所述物体识别模块(11)安装在夹持机械爪底部(10)，与机械爪同步运动，识别操作平台上物体的颜色与形状，为机械爪自动夹取提供信号。
参考图1、图2，所述监控装置包括HMI触摸屏(13)，网络摄像头(14)和现场端路由器(15)；所述HMI触摸屏用于现场触屏按钮控制操作；所述控制装置PLC模块的CPU(7.2)以及网络摄像头(14)与现场路由器(15)连接，使用PLC模块CPU(7.2)的Web发送功能，通过现场路由器(15)发射，以有线或无线方式连接现场路由器(15)登陆相应网页可以控制运动装置包括X轴丝杆滑台(9.1)、Y轴丝杆滑台(9.2)、Z轴丝杆滑台(9.3)、夹持机械爪(10)的相应运动；同时可以通过所述网络摄像头(15)远程实时监控现场平台运动状况，进行调整。
本发明工作过程如下：
打开空气开关(6)，在HMI触摸屏(13)上可以按对应虚拟按键给系统上电，启动程序，也可以给系统断电，使程序停止运行。系统默认为手动控制模式，在手动模式下，按下控制X轴丝杆滑台(9.1)的按钮，控制X轴滑台滑块(9.1a)向左、右移动，点按一次移动0.5mm，长按则连续运动；按下控制Y轴丝杆滑台(9.2)的按钮，控制Y轴滑台滑块(9.2a)向前、后移动，点按一次移动0.5mm，长按则连续运动；按下控制Z轴丝杆滑台(9.3)的按钮，控制Z轴滑台滑块(9.3a)向上、下移动，点按一次移动0.5mm，长按则连续运动；按下控制机械爪舵机(10.1)的按钮，控制机械爪夹取部分(10.2)合拢张开。
切换控制方式为自动模式，实验平台即自行运动，扫描操作平台(2)，按图5的路径方式自行控制X轴滑台滑块(9.1a)、Y轴滑台滑块(9.2a)、Z轴滑台滑块(9.3a)的移动以及机械爪夹取部分(10.2)的合拢张开；所述自动控制方式也可通过观察选择分区会直接运行到相应区域进行扫描，若扫描到物体，则会自行夹取摆放。
在任何模式下，运行过程中可以在HMI触摸屏上按钮操作使三轴自动回零，即三轴回到零点为下一次操作提前准备。
进一步的，所述平台通过有线或无线方式连接上现场端路由器(15)登陆配套的网页即可实现远程实时读写数据以及相同虚拟按钮控制上述运动过程。
最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。

Claims (8)

1.一种远程运动控制实验装置，其特征在于：包括实验平台基座、控制装置、运动装置与监控装置；
所述实验平台基座包括铝型材箱式框架(1)、操作平台(2)、底部H型固定结构(3)和万向轮(4)；所述铝型材箱式框架(1)中部设置有所述操作平台(2)，底部设置有底部H型固定结构(3)，接触地面处设置有所述万向轮(4)；
所述控制装置安装在铝型材箱式框架(1)左侧，包括驱动模块(5)、空气开关(6)、PLC模块(7)和直流电源(8)；所述驱动模块(5)包括X轴步进电机驱动器(5.2)、Y轴步进电机驱动器(5.3)、Z轴步进电机驱动器(5.4)和舵机驱动模块(5.1)；所述PLC模块(7)负责处理采集信号，并给出控制信号和信号间通信；
所述运动装置安装在铝型材箱式框架(1)上侧，包括XYZ轴丝杆滑台(9)、夹持机械爪(10)、物体识别模块(11)和限位传感器(12)；所述XYZ轴丝杆滑台(9)包括X轴丝杆滑台(9.1)、Y轴丝杆滑台(9.2)和Z轴丝杆滑台(9.3)，所述X轴丝杆滑台(9.1)、Y轴丝杆滑台(9.2)和Z轴丝杆滑台(9.3)以倒置三维坐标系的方式安装在铝型材箱式框架(1)上侧，所述限位传感器(12)分别安装在所述X轴丝杆滑台(9.1)、Y轴丝杆滑台(9.2)、Z轴丝杆滑台(9.3)一侧有效行程极限位置，所述夹持机械爪(10)安装在Z轴丝杆滑台滑块(9.3a)上，用于夹取物体，所述物体识别模块(11)安装在夹持机械爪(10)底部，与夹持机械爪(10)同步运动，用于识别操作平台(2)上物体的颜色与形状；
所述监控装置包括安装在铝型材箱式框架(1)上侧的HMI触摸屏(13)、安装在操作平台(2)上的网络摄像头(14)和安装在底部H型固定结构(3)上的路由器(15)，通过网络实现对所述实验装置的远程影像监控；在所述HMI触摸屏(13)上按对应虚拟按键给系统上电，启动程序，或按对应虚拟按键给系统断电，停止运行程序；在一定工作模式下，在所述HMI触摸屏(13)上按对应虚拟按键使XYZ三轴自动回零，即三轴回到零点为下一次操作提前准备；
通过现场触摸屏控制或者远程网络控制实现三轴的联动、机械爪开合以及基于颜色形状的物品分拣。
2.根据权利要求1所述的一种远程运动控制实验装置，其特征在于：所述直流电源(8)包括24V直流电源(8.1)和5V直流电源(8.2)；
所述24V直流电源(8.1)负责给X轴步进电机驱动器(5.2)、Y轴步进电机驱动器(5.3)、Z轴步进电机驱动器(5.4)、限位传感器(12)、HMI触摸屏(13)供电；
所述5V直流电源(8.2)负责给舵机驱动模块(5.1)及夹持机械爪(10)的舵机供电。
3.根据权利要求1所述的一种远程运动控制实验装置，其特征在于：所述运动装置通过X轴丝杆滑台滑块(9.1a)带动Y轴丝杆滑台(9.2)、Z轴丝杆滑台(9.3)、夹持机械爪(10)、物体识别模块(11)沿X轴丝杆滑台(9.1)方向左右移动；通过Y轴丝杆滑台滑块(9.2a)带动Z轴丝杆滑台(9.3)、夹持机械爪(10)、物体识别模块(11)沿Y轴丝杆滑台(9.2)方向前后移动；通过Z轴丝杆滑台滑块(9.3a)带动夹持机械爪(10)、物体识别模块(11)沿Z轴丝杆滑台(9.3)方向上下移动。
4.根据权利要求1所述的一种远程运动控制实验装置，其特征在于：所述PLC模块(7)包括分线器(7.1)、CPU(7.2)和通信模块(7.3)；在所述铝型材箱式框架(1)上侧安装的HMI触摸屏(13)与CPU(7.2)通过分线器(7.1)连接，HMI触摸屏(13)上的虚拟按钮控制X轴丝杆滑台(9.1)、Y轴丝杆滑台(9.2)、Z轴丝杆滑台(9.3)、夹持机械爪(10)和物体识别模块(11)的相应运动。
5.根据权利要求4所述的一种远程运动控制实验装置，其特征在于：所述CPU(7.2)以及网络摄像头(14)与路由器(15)连接，利用CPU(7.2)的Web发送功能，通过现场的路由器(15)发射，以有线或无线方式连接路由器(15)登陆相应网页控制所述X轴丝杆滑台(9.1)、Y轴丝杆滑台(9.2)、Z轴丝杆滑台(9.3)、夹持机械爪(10)和物体识别模块(11)的相应运动，同时通过网络摄像头(14)远程监控运行状况。
6.根据权利要求1或3或4或5所述的一种远程运动控制实验装置，其特征在于：所述X轴丝杆滑台(9.1)外侧安装X轴限位光电开关I(12.1)、X轴限位光电开关II(12.2)，所述Y轴丝杆滑台(9.2)上侧安装Y轴限位光电开关I(12.3)、Y轴限位光电开关II(12.4)，所述Z轴丝杆滑台(9.3)内侧安装Z轴限位光电开关I(12.5)、Z轴限位光电开关II(12.6)，以无接触地限制丝杆滑台的运动范围。
7.根据权利要求1所述的一种远程运动控制实验装置，其特征在于：所述万向轮(4)设有锁死装置，用于移动和固定实验平台。
8.根据权利要求1所述的一种远程运动控制实验装置，其特征在于：所述工作模式包括手动模式和自动模式；
所述手动模式为：按下控制X轴丝杆滑台(9.1)的按钮，控制X轴滑台滑块(9.1a)向左、右移动，点按一次移动0.5mm，长按则连续运动；按下控制Y轴丝杆滑台(9.2)的按钮，控制Y轴滑台滑块(9.2a)向前、后移动，点按一次移动0.5mm，长按则连续运动；按下控制Z轴丝杆滑台(9.3)的按钮，控制Z轴滑台滑块(9.3a)向上、下移动，点按一次移动0.5mm，长按则连续运动；所述夹持机械爪(10)包括机械爪舵机(10.1)和机械爪夹取部分(10.2)，按下控制机械爪舵机(10.1)的按钮，控制机械爪夹取部分(10.2)合拢张开；
所述自动模式为：扫描操作平台(2)，按一定路径自行控制X轴滑台滑块(9.1a)、Y轴滑台滑块(9.2a)、Z轴滑台滑块(9.3a)的移动以及按一定方式自行控制机械爪夹取部分(10.2)的合拢张开；所述自动模式还通过观察选择分区，并直接运行到相应区域进行扫描，若扫描到物体，则会自行夹取摆放。
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